应用CFB锅炉进行石煤资源综合利用初探

陈军武，王正华，张珊，张力

(湖南省电力勘测设计院，湖南长沙410007)

1 石煤资源特性及其利用现状

石煤是一种含炭量少、发热值低的劣质无烟煤，其低位发热量为3 349～9 209 kJ/kg，又是一种低品位多金属共生矿 (以伴生钒为主)，其含V2O5品位多为0.3% ～1.0%，约70%的石煤V2O5品位在0.8%以下。它的主要特性为灰分高、密度大、发热量低、结构致密、着火点高、不易燃烧和难以燃尽、较硬难磨。我国石煤储量十分丰富，广泛分布于湖南、广西、浙江、江西、湖北等南方数省。据煤炭部资料统计，我国目前石煤资源储量约618亿t，其中湖南的储量为187亿t，约占全国的1/3。我国石煤伴生钒资源丰富，其中 V2O5≥0.5%的石煤中V2O5资源量为77 075 kt，是我国钒钛磁铁矿中V2O5资源量的2.7倍。因此，从石煤中提钒成为我国利用钒资源的一个重要发展方向〔1〕。

长期以来，我国石煤资源因热值低、含V2O5品位低而得不到有效利用。目前石煤资源利用的方式主要有:作为燃料烧制砖块与石灰;少量V2O5品位0.8%以上的石煤资源用于提钒。其开发利用普遍存在开采规模小、开发利用方式粗放单一、资源综合利用程度低、浪费大、环境污染严重等问题。

因此，探索石煤资源综合利用的有效途径，充分利用其热资源，充分提取其伴生金属，做到资源效益最大化，是石煤资源开发需解决的迫切问题。

2 利用CFB锅炉进行石煤综合利用探索

石煤资源综合利用包括热量利用及稀有金属提取，都需要煅烧。选择经济合理的燃烧技术是石煤综合利用的关键。目前石煤的焙烧设备主要是平窑、多层焙烧炉和流化床炉。比较而言，循环流化床锅炉 (CFB)焙烧转化率较高，操作条件较好，可以连续生产，指标比较稳定，可综合利用热能，烟气易于集中处理，更适合规模化应用〔2〕。而且CFB锅炉是一种低温洁净燃烧技术，具有燃料适应性广泛、燃烧效率高、污染物排放少等突出优点。我国目前300 MW等级CFB锅炉已有50余台投产，技术已较成熟。

2.1 燃料的选择分析

从燃料着火并稳定燃烧的角度看，大部分石煤采用CFB燃烧方式能够实现稳定燃烧。理论上，只要燃料的热值大于5 541 kJ/kg，大于加热燃料本身和燃烧所需空气至着火温度所需热量，保证锅炉密相区燃烧温度，就可以采用CFB锅炉进行燃烧〔3〕。但是纯烧石煤会带来以下问题:

(1)锅炉效率不高:由于灰渣量较大，纯烧石煤排渣热损失较大 (经估算达到4%以上)。

(2)受热面的磨损问题突出:由于石煤热值低、灰分较高，较常规燃用12 588 kJ/kg燃料的CFB锅炉，燃料量供应量增加了2倍，在风量一定的情况下，炉膛内部、尾部烟道物料及灰浓度都相应成比例增加，根据研究，物料对管壁的磨损速率与其流速的3次方成正比，与其浓度成正比〔3〕，受热面的磨损问题将变得非常严重。虽然现在大型CFB锅炉炉内及尾部受热面采取了防磨措施，各受热面的磨损问题仍会非常突出，锅炉的安全和使用寿命将受到较大影响。

(3)锅炉进料与排渣系统压力较大:由于锅炉的“吞吐量”较一般CFB锅炉增大较多，以300 MW等级CFB锅炉为例，纯烧石煤燃料用量高达600 t/h，底渣排放量达280 t/h，需要8～10台最先进的40 t/h容量冷渣器。在CFB锅炉底层布置8～10台大容量冷渣器存在较大困难。另一方面，冷渣器需要大量的冷却介质，初步估算，需要冷却水量达1 000 t/h，冷却风量20万Nm3/h以上。若冷渣器采用凝结水，则机组可供的水量不足。而20万Nm3/h冷却风量，占锅炉总风量比例超过20%，这部分风通过冷渣器后，作为二次风的一部分送入锅炉，占二次风总量的50%左右，因其穿透力较低，必将影响炉内燃烧。

鉴于纯燃用石煤锅炉燃烧效率不高，锅炉本体及辅助设施都存在较大的技术难度和风险，且目前没有大型CFB锅炉燃用如此低热值的燃料的范例，为了控制工程风险，锅炉燃料以石煤为主掺烧一定比例优质燃料是理想的选择。

当然，掺入优质燃料，一方面增加了燃料成本，另一方面“稀释”了灰渣中金属浓度，增加了冶金成本，所以应尽量降低优质燃料混合比例。机组投入运行后，低负荷时应灵活改变煤种的配比，理想情况下通过改变石煤和优质煤的配比适应电网要求，系统设计上应满足石煤和优质煤灵活配比的要求。

2.2 装机容量选择分析

目前国内CFB机组装机方案有100～200 MW的超高压参数机组以及300 MW亚临界参数机组。CFB锅炉的燃烧效率主要取决于燃料性质，机组经济性主要取决于机组热效率，显然，亚临界参数机组效率高于超高压参数机组效率。同时，机组容量大，厂用电率低，选择大容量、高参数机组经济性好。

2.3 锅炉关键辅助设备选择分析

2.3.1 锅炉给料与排渣系统

锅炉的给料系统应考虑给料的灵活性，能保证石煤和掺烧煤按不同比例进入炉内燃烧，保证锅炉在不同负荷下的安全经济运行。可以在锅炉外部混煤和炉内混煤2种不同方案中择优选择。

锅炉排渣系统的关键是冷渣器设置方案。燃用石煤这样低热值的燃料，锅炉排渣对冷渣器技术就是一种挑战，要求冷渣器容量大、占地小。冷渣器的冷却方式对锅炉效率及热力系统都有较大影响，直接布置部分锅炉受热面，以吸收部分底渣热量以降低排渣温度，不但能有效地提高锅炉效率，而且能减少对热力系统的影响。所以，在工程燃料及机组容量确定之前，应考虑冷渣系统的处理方式和能力。在确定之后应优化机组冷渣系统，充分考虑其对锅炉及汽轮机热力系统的影响。

2.3.2 烟气脱硫系统

CFB燃烧技术有一定的自脱硫能力，在炉内添加石灰石时，其脱硫效率能达到90%以上。但作为石煤综合利用项目，机组容量的选择还应考虑冶金灰渣的处理能力及灰渣处理工艺特点。灰渣冶金工艺一般采用酸萃取，CFB锅炉的自脱硫对于去除灰渣中的碱性氧化物降低冶金酸耗起到了一定积极作用。若在炉内添加石灰石，虽提高脱硫效率，但增加了灰的碱性，使得萃取酸耗增加。需要指出的是，石煤含硫量较高，折算成标准煤的硫份能达到6%以上，目前环保排放标准不断提高，仅在炉内脱硫难以满足排放要求，需在炉外增加脱硫设施。炉内、炉外脱硫比例需权衡脱硫成本、冶金成本等因素。

3 某石煤综合利用工程可行性分析

湖南省某石煤综合利用项目采用300 MW亚临界参数CFB锅炉循环流化床焙烧炉对石煤进行焙烧，产生的热量用于发电，产出的飞灰用于提钒。项目的原则性模块图见图1。

图1 原则性模块图

该工程处处体现了石煤的资源利用最大化，它的主要技术特点有:

(1)以1 025 t/h循环流化床锅炉为核心设备，燃用石煤和无烟煤的混合煤，其低位发热量约2 100 kJ/kg。对工程的燃料作了大量的深入研究，先后在某研究院进行试验平台燃烧试验和200 MW CFB工业实炉燃烧试验，证明了CFB锅炉燃用石煤掺烧石煤的可行性。在此基础上多次组织国内资深专家和国内主要锅炉生产商进行技术方案研讨论证。

(2)锅炉排渣采用2级冷却方案，突破了目前国内CFB锅炉排渣采用1级冷渣器把渣温降低到150℃的传统方案。第1级冷渣器采用锅炉给水冷却，把渣温降低到400℃以下，其热量由锅炉本体回收。然后排入第2级冷渣器，把渣温冷却到150℃以下。采用该2级冷渣器冷却方案，能有效提高锅炉效率，减少对汽轮机回热系统的影响，使得发电标准煤耗比常规冷渣器方案降低了约10 g/kWh。

(3)工程脱硫采用炉内脱硫和尾部烟气活性炭干法脱硫相结合的方式。活性炭干法脱硫的基本原理是利用活性炭在不同温度下对烟气中的SO2吸附及解吸附来实现脱硫，回收的SO2制成硫酸用于湿法提钒浸取。

(4)对锅炉烟气中的飞灰进行湿法提钒。在工业试验中，发现钒能在一定程度上富集到飞灰中，对后续提钒工作起到了积极作用。

项目建设规模是以2×1 025 t/h循环流化床焙烧炉为核心设备，通过掺烧一定量的无烟煤，达到年处理石煤约2 800 kt的综合生产能力，形成2 600 t/a V2O5，2×300 MW发电的生产能力。

4 结论

通过湖南省某石煤资源综合项目的前期研究工作，证实采用300 MW亚临界参数CFB对石煤规模化开采利用是经济可行的，并且充分论证了锅炉的关键辅助设施的装备方案。该工程为石煤资源综合利用进行可贵的探索，取得了较大的成果，为工程的顺利推进铺平了道路。石煤综合利用工程有其特殊性，在下一阶段落实该工程时，需充分考虑锅炉及其辅助设备的特殊运行条件，合理有效地解决工程面临的各种问题，以保证工程的循环经济效益最大化。

〔1〕陈庆根.石煤钒矿提钒工艺技术的研究进展〔J〕.矿产综合利用，2009(2):30-34.

〔2〕别舒，王兆军，李清海，等.石煤提钒钠化焙烧与钙化焙烧工艺研究〔J〕.稀有金属，2010(2):295.

〔3〕孔令禹.循环流化床锅炉金属受热面的磨损问题及防范措施〔C〕∥全国电力行业CFB机组技术交流服务协作网技术交流论文集 (十三).2009.

〔4〕林宗虎.循环流化床锅炉的发展过程及趋向〔J〕.工业锅炉，2008(2):1-5，11.